Neden sicim teorisinin nihai büyük birleşik teori olduğunu düşünüyorsunuz?
Fizikteki en seçkin ve tartışmalı kanıtlanmamış teorilerden biri sicim teorisidir. Sicim kuramının özü, yüzyıllarca fizikte geçen ana düşünce çizgisidir.Aynı çerçevenin bir parçası olarak, bir düzeyde, tüm farklı kuvvetler, parçacıklar, etkileşimler ve gerçek ifadeler birbirine bağlıdır. Doğanın dört bağımsız temel kuvveti (yerçekimi, elektromanyetik, güçlü ve zayıf) değil, hepsini kapsayan birleşik bir teori.
Sicim teorisinin özü sıfır boyutlu parçacıklar değil, evreni oluşturan tek boyutlu dizilerdir. Resim: flickr kullanıcısı Trailfan
Pek çok açıdan, sicim teorisi, en yüksek enerji ölçeğinde birliği sağlayan yerçekimi alt teorisinin en iyi rakibidir. Deneysel bir kanıt olmamasına rağmen, bu noktayı kanıtlamak için hala ikna edici bir teorik temel var. 2015'in başlarında, en iyi sicim kuramcısı Ed Witten, sicim teorisinin tüm bilgileri üzerine bir makale yazdı. Fizikçi olmasanız bile bu doğrudur.
Standart kuantum alan teorisi etkileşimi (L), nokta parçacıkları, sicim teorisi etkileşimi (R) ve kapalı dizeler arasındaki fark. Resim: Wikimedia Commons kullanıcısı Kurochka
Doğa yasalarına gelince, görünüşte alakasız fenomenler arasında bazı benzerlikler vardır ve kayda değer. Arkalarındaki matematiksel yapı genellikle benzer, hatta bazen aynıdır. Newton yasasına göre, iki büyük gök cismi arasındaki yerçekimi yolu, yüklü parçacıkların çekme veya itme biçimiyle neredeyse tamamen aynıdır. Sarkacın salınım şekli, yaydaki kütlenin ileri geri hareketine tamamen benzer ve aynı zamanda gezegenlerin yıldızın yörüngesinde dönme şekline benzer. Yerçekimi dalgaları, su dalgaları ve ışık dalgalarının tümü, fiziksel kökenleri temelde farklı olsa da, çok benzer özelliklere sahiptir. Benzer şekilde, çoğu insan tek parçacıklı kuantum teorisinden ve kütleçekimsel kuantum teorisine nasıl yaklaşılacağından haberdar olmasa da, benzerdir.
Yukarıdaki şekil, parçacıklar arasındaki tüm olası etkileşimleri toplaması gereken elektronların ve elektron saçılmasının bir Feynman diyagramıdır. Resim: Dmitri Fedorov
Kuantum alan teorisinin prensibi, bir parçacığı almak ve sonra matematikte mümkün olan tüm toplamları yapmaktır Parçacığın nerede olduğunu ve oraya nasıl geldiğini hesaplayamazsınız, çünkü doğanın içsel ve temel bir kuantum belirsizliği vardır. Aksine, mevcut durumuna ("geçmiş tarih" bölümü) ulaşmanın tüm olası yollarını uygun bir olasılıkla toplayarak, tek bir parçacığın kuantum durumu hesaplanabilir.
Kuantum parçacıkları yerine yerçekimini kullanmak istiyorsanız, bu fikri biraz değiştirmelisiniz. Einstein'ın genel görelilik teorisinin parçacıklarla ilgisi olmadığı için, uzay-zamanın eğriliği ile ilgisi olmadığı için, parçacıkların olası tüm geçmişlerinin ortalamasını alamaz, bunun yerine, uzay-zaman geometrisinin tüm olasılıklarının yerini alabilir.
Einstein'ın yerçekimi teorisi ve kuantum fiziğinin yönettiği diğer şeyler (güçlü, zayıf ve elektromanyetik etkileşimler), evrenimizdeki her şeyi yöneten iki bağımsız kuraldır. Resim: SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı
Üç boyutlu uzayda çalışmak çok zordur Fiziksel bir problem zor olduğunda, genellikle daha basit bir problemi çözmeye çalışan ilk kişidir. Zorluk bir boyuta indirilirse, işler çok basitleşecektir. Olası tek boyutlu yüzey, iki bağımsız, bağlantısız uç noktaya sahip açık bir akor veya iki uç noktanın bir döngü oluşturmak için bağlandığı kapalı bir akordur. Ek olarak, üç boyutlu karmaşık bir uzayda uzamsal eğrilik önemsiz hale gelir.
Maddeyi eklemek isterseniz, geriye kalan bir dizi skaler alan (bazı parçacık türleri gibi) ve kozmolojik sabitlerdir (kütle terimleri gibi). Parçacıkların çoklu boyutlarda kazandığı ek serbestlik dereceleri büyük bir rol oynamaz; momentum vektörü tanımlanabildiği sürece, bu en önemli boyuttur. Yani bir boyutta, kuantum yerçekimi herhangi bir sayıda boyutta serbest bir kuantum parçacığı gibidir.
Üç değerlikli tepe grafiği, tek boyutlu kuantum yerçekimi yolu integralini oluşturmanın önemli bir parçasıdır. Resim: Fizik Bugün 68, 11, 38 (2015)
Bir sonraki adım, saçılma genliği veya kesiti olmayan serbest bir partikülden evrende fiziksel bir rol oynayabilen bir partiküle kadar etkileşimleri birleştirmektir. Tıpkı yukarıdaki şekil gibi, kuantum kütleçekiminin fiziksel kavramı da tanımlanabilir. Bu diyagramların tüm olası kombinasyonlarını yazarsanız, aynı kuralları uygularsanız ve toplarsanız; her zaman momentumun korunumu yasasını uygularsanız, analojiyi tamamlayabilirsiniz. Tek boyutlu kuantum yerçekimi, herhangi bir sayıda boyutta etkileşime giren tek bir parçacık gibidir.
Herhangi bir yerde bir kuantum parçacığı bulma olasılığı hiçbir zaman% 100 değildir ve olasılık uzay ve zamanda dağıtılır. Resim: Wikimedia Commons kullanıcısı Maschen
Daha sonra, bir uzaysal boyuttan 3 + 1 boyuta geçeceğiz: evrenin üç uzamsal boyutu ve bir zaman boyutu var. Ancak yerçekiminin bu teorik "yükseltilmesi" çok zor olabilir. Aksine ters yönde çalışırsak daha iyi bir yol olabilir. Herhangi bir boyutta tek bir parçacığın (sıfır boyutlu bir varlık) davranışını hesaplamak yerine, bir dizgenin (tek boyutlu bir varlık) davranışını hesaplamak daha iyidir. O zaman daha gerçekçi bir boyuttan daha eksiksiz bir kuantum yerçekimi teorisi bulabiliriz.
Feynman diyagramı (TOP) nokta parçacıklarına ve bunların etkileşimlerine dayanmaktadır. Bunları sicim teorisi analoglarına (altta) dönüştürmek, önemsiz olmayan eğriliğe sahip yüzeyler üretecektir. Resim: Fizik Bugün 68, 11, 38 (2015)
Noktalar ve etkileşimler yerine yüzey filmi üzerinde çalıştırın. Gerçek çok boyutlu bir yüzey göründüğünde, bu yüzey düz olmayan bir şekilde eğilebilir. Genel görelilik gibi, evrende yaşanan uzay-zaman eğriliğinin kökü olabilecek ilginç davranışlar ortaya çıkmaya başladı. Tek boyutlu kuantum yerçekimi, uzay-zamanı bükebilen parçacıkların kuantum alan teorisini sağlasa da, yerçekiminin kendisini tanımlamaz.
Bu gizemin inceliği nedir? Operatörler arasında veya kuantum mekaniğini, kuvvetlerini ve özelliklerini veya parçacıkların ve özelliklerinin zaman içinde nasıl evrimleştiğini temsil eden işlevsel durumlar arasında herhangi bir ilişki yoktur. Bu "operatör durumu", gerekli ancak eksik bir bileşene karşılık gelir. Ancak nokta şeklindeki parçacık, ip şeklindeki varlığa aktarılırsa, buna karşılık gelen bir ilişki olacaktır.
Deforme olmuş uzay-zaman ölçüsü dalgalanmalarla temsil edilebilir ("p" olarak adlandırılır) Eğer dizi analojisine uygulanırsa, uzay-zaman dalgalanmalarını tanımlar ve dizginin kuantum durumuna karşılık gelir. Resim: Fizik Bugün 68, 11, 38 (2015)
Parçacıklardan ip şeklindeki varlıklara yükseltildikten sonra, gerçek bir operatör durumu iletişimi olacaktır. Uzay-zaman metriğindeki (yani operatör) dalgalanmalar otomatik olarak dizi özelliklerinin kuantum mekaniksel açıklama durumunu temsil eder. Bu nedenle, uzay-zamanda yerçekimi teorisi, sicim teorisinden türetilebilir.
Ancak elde edilenlerin hepsi bu değil: Kuantum kütleçekiminin uzay ve zamandaki diğer parçacıklar ve kuvvetlerle birliği de elde edildi ve bu parçacıklar ve kuvvetler, sicim alanı teorisindeki diğer operatörlere karşılık geliyor. Ayrıca uzay-zaman geometrisindeki dalgalanmaları ve sicimlerin diğer kuantum durumlarını tanımlayan bir operatör de var. Sicim teorisi ile ilgili en büyük haber, etkili bir kuantum kütleçekimi teorisi verebilmesidir.
Brian Green sicim teorisini tanıtıyor. Fotoğraf: NASA / Goddard / Wade Sisler
Ancak bu, bunun kaçınılmaz bir sonuç olduğu anlamına gelmez: Sicim teorisi, kuantum yerçekimine giden yoldur. Sicim kuramının en iyi umudu, bu benzetmelerin tüm ölçeklerde kurulabilmesi ve çevreleyen evrenle eşleşen açık, bire bir dizi diyagramı olmasıdır. Şimdi sadece birkaç boyut kümesi vardır, ip / süper sicim diyagramı kendi kendine tutarlıdır ve en umut verici olanı, Einstein'ın evrendeki dört boyutlu yerçekimini tanımlamaz.
Bunun yerine, 10 boyutlu bir Brang-Dikes yerçekimi teorisi keşfedildi. Evrenin yerçekimini eski haline getirmek için altı boyut "kaldırılmalı" ve Brang-Dikes çiftleme parametresi sonsuz olmalıdır. Sicim teorisinde kelime sıkılaştırmayı duyduysanız, bu, bu sorunların çözülmesi gerektiğinin güçlü bir kanıtıdır. Artık birçok insan, sıkılaştırma ihtiyaçlarını karşılamak için eksiksiz ve ikna edici bir çözüm olduğuna inanıyor. Ancak, 10 boyutlu Brang-Dikes teorisinden Einstein'ın yerçekimi ve 3 + 1 boyutlarının nasıl elde edileceği hala sicim teorisi için bir zorluktur.
Karabe-Umani'nin iki boyutlu izdüşümü, sicim teorisinin ekstra boyutlarını sıkıştırmak için popüler bir yöntemdir. Resim: Wikimedia Commons kullanıcısı Öğle Yemeği
Sicim teorisi, kuantum yerçekimi için bir yol sağlar, ancak yalnızca birkaç seçenek buna gerçekten uyabilir. Bu matematiksel ispat kullanılırsa genel görelilik ve standart model elde edilebilir. Sicim teorisinin başarısını veya başarısızlığını işaret edip edemeyeceğinize ya da bunun için doğrulanabilir öngörü kanıtlarının olmamasına bakılmaksızın, şüphesiz teorik fizik araştırmalarındaki en aktif alanlardan biridir. Sicim teorisinin özü, birçok fizikçinin hayalini kurduğu nihai teorik lider düşünce haline geldi.
